本研究成果のポイント

• 高圧実験に用いられるアンビルセル（注1）のアンビルにメタ表面（注2）を作製することで、高圧下の物質の屈折率変化を計測する技術を開発しました。
• 従来の手法に比べ簡便性・高感度性・堅牢性のバランスに優れ、従来容易でなかった局所領域の計測も可能な技術です。
• 惑星科学や物性物理学の発展に寄与する成果です。

概要

高圧物性計測技術の開発は惑星科学や物性物理学などの分野で重要です。これまでに、表面プラズモン共鳴（注3）により色づく金ナノ粒子の色の変化からアンビルセル内の物質の屈折率変化を計測する方法が、簡便で高感度な手法として提案されてきました。しかしながら、金ナノ粒子は柔らかいため、ある一定の圧力以上では大きく変形し、予期しない色の変化が起きてしまうという課題がありました。

東北大学多元物質科学研究所の新家寛正助教と北海道大学低温科学研究所の木村勇気教授、鳥取大学工学部機械物理系学科の灘浩樹教授、東京大学大学院総合文化研究科広域科学専攻／附属先進科学研究機構の羽馬哲也准教授、本学大学院自然科学研究科の後藤和泰准教授を中心とする研究グループは、誘電体にサブμmの空孔を形成すると空孔が色づくMie空孔共鳴（注4）という現象に着目し、硬いアンビルの表面に作製したMie空孔の色変化から屈折率変化を計測する手法を新たに提案しました。この手法は、金属ナノ粒子を用いた手法と同程度の簡便性・高感度性に加え、圧力に対しより高い堅牢性が期待されます。本成果は、高圧が関わる様々な科学領域の発展に貢献することが期待されます。

本成果は、科学誌The Journal of Physical Chemistry C に 11月8日（米国太平洋標準時間）付でオンライン掲載されました。

【用語解説】

（注1）アンビルセル：
アンビルセルは、2つの尖頭状に成型された硬い物質（アンビル）の尖頭部同士を、ガスケットと呼ばれる小さな穴の空いた金属板に試料を導入し、強く押し当てることで尖頭部に高圧を発生させる装置を指す。

（注2）メタ表面：
微細加工技術などによって人工的に作製されたナノ構造配列体の形成などにより、自然界の物質では見られない特性が付与された材料をメタマテリアルと呼び、特に、疑二次元ナノ構造配列体を形成することでそのような特性が付与された表面をメタ表面と呼ぶ。

（注3）表面プラズモン共鳴：
金属ナノ粒子への光照射により励振される、光の電場の振動に追従する自由電子の集団振動を指す。

（注4）Mie空孔共鳴：
高屈折率の誘電体に形成されたサブμmサイズの空孔で、空孔サイズにより決まるある特定の波長の光が空孔内で選択的に共鳴する現象を指す。

研究内容の詳細

誘電体メタ表面を用いた新規高圧物性計測技術を開発～惑星科学への応用が期待されるナノ光学計測～（PDF：1MB）

論文情報

【掲載誌】The Journal of Physical Chemistry C
【論文タイトル】Mie Voids for High-Pressure Refractive Index Sensing
【著者】Hiromasa Niinomi*, Hiroki Nada, Tetsuya Hama, Kazuhiro Gotoh, Yumiko Kodama, Tomoya Oshikiri, Masaru Nakagawa, and Yuki Kimura
*責任著者：東北大学多元物質科学研究所　助教　新家寛正
【doi】10.1021/acs.jpcc.5c05941

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